聯合站注水泵控制系統改造

劉偉

（吐哈油田鄯善采油管理區，新疆鄯善 838202）

0 引言

溫米聯合站9#注水泵為315 kW 電機，采用軟啟動器啟動，電機開啟后軟啟動器內部經過可控硅模塊限制啟動電流，運行后旁路接觸器接通工頻運行。采用軟啟動器啟動有以下缺點：

（1）啟動電流大，對電網有沖擊，經常出現過流保護跳閘不能正常啟動。

（2）軟啟動器原理是調節電壓來調整啟動轉矩，啟動后轉工頻運行，不能調整電機轉速，由于管網出口壓力波動較大，當管網阻塞或用水量下降時，該運行方式一直在工頻運行，容易引起管網壓力上升，對管網和泵有損壞作用。

（3）工頻運行時耗能多，不節能。

9#注水泵軟啟動控制電路如圖1 所示。

圖1 軟啟動器控制

1 改造方案

基于上述原因采油廠決定對軟啟動柜進行控制系統改造，采用變頻調速控制，結合中控霍尼韋爾EPKS 系統，利用泵出口壓力來設定所需要的值，實現恒壓供水。

1.1 變頻調速控制系統原理

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻調速技術就是依據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：

式中 n——轉速，r/min

f——輸入頻率，Hz

s——電機轉差率

p——電機磁極對數

從公式（1）中，利用改變電機工作電源頻率實現改變電機轉速，從而改變泵的出力。變頻調速系統的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接轉矩控制（DTC）等。V/F 控制主要運用在低成本、使用性能要求較低的場合；而矢量控制的引入，則開始了變頻調速系統在性能高場合的運用。

1.2 Honewell EPKS 系統

利用中控霍尼韋爾EPKS 系統，該系統是Honewell 最新一代的過程自動化系統，他將人員與過程控制、經營和資產管理融合在一起。EPKS 為用戶提供了遠高于集散控制系統的能力，為決策者提供所需信息。其特點有：全局數據庫，一次輸入控制處理器與監控系統服務器所需信息；基于Web 結構的人機界面；全局在線文檔；實時數據庫；先進的系統框架；良好的開放性；嚴格的安全性及高性能先進的工業以太網解決方案。

根據工況管網所需供水壓力，預先設定好壓力SP，通過遠程采集出口壓力P，送入EPKS 系統組態程序進行比較、PID 運算處理，最后將結果通過4～20 mA 信號給定到變頻器，變頻器再轉換成輸出頻率到電機上，從而調整電機轉速。當出口壓力大于中控設定值時，中控PID 輸出信號電流減小，從而變頻器輸出頻率減小，電機轉速也相應降低；反之，出口壓力小于中控設定值時，相對應的電機轉速則升高以實現管網壓力相對穩定，實現恒壓供水。

2 改造內容

改造后控制系統如圖2 所示。

圖2 改造后控制系統

2.1 變頻器選型

停用軟啟動柜，在配電室安裝新變頻柜1 臺，變頻器選用艾默生無感矢量變頻器EV2000 315 kW 型，因為注水泵是大轉動慣量負載，泵啟動時容易引起V/F 控制方式的變頻器出現過流保護跳閘的情況，所以選用具有高啟動轉矩的無速度傳感器矢量變頻器，同時在變頻柜輸出側安裝交流電抗器，消除變頻器輸出電流中的高次諧波分量，減小因高次諧波引起的電磁干擾，以減小電機運行噪聲和溫升，提高電機運行穩定性。

布置一條信號線（2×2.5 mm2）由中控AI 模塊出線端子至變頻器4～20 mA 接線端子，增加安全柵1 只，注意要使用帶屏蔽層的信號線，屏蔽層有效接地，因為變頻器在運行時產生大量諧波注入電網，同時對信號傳輸干擾特別大，采用安全柵和信號屏蔽層接地能有效消除變頻器高次諧波對信號傳輸的干擾。

2.2 中控EPKS 系統組態

在中控室EPKS 系統里繪制泵和9#變頻器流程圖，利用HMIWeb Display Builder 功能建立主圖、順序子圖與畫面的關聯，定義變量和各參數、編輯腳本等組態。再在中控室霍尼韋爾EPKS 系統對出口壓力和變頻器進行組態，對AI、DACA、PIDA和AO 等功能塊分別組態，以實現變頻調速，恒壓注水。利用出口壓力和PID 邏輯對控制點PIC6302A 組態程序如圖3 所示。

圖3 PIC6302A 控制點程序

通過泵出口壓力變化信號傳送給中控室，再由中控EPKS系統PID 程序發出指令給變頻器，進行調整輸出頻率，從而調整電機的轉速，壓力降低時轉速升高，壓力增高時轉速降低，使管網壓力保持恒定，實現恒壓注水。

2.3 增加泵房異地啟停功能

由于原有軟啟動柜已停用，新變頻柜安裝在配電室，在泵房增加控制柜1 面，操作距離相對較遠，為方便泵房啟、停泵，現在從新變頻柜布線至泵房控制柜，安裝異地啟停按鈕、報警指示燈。方便操作人員現場啟、停泵，巡檢。

2.4 將原有儀表保護接入泵房新增控制柜

新增控制柜面板上安裝數顯控制儀5 只（該數顯控制儀能接收4～20 mA 信號和Pt100 熱電阻信號），數顯儀分度號選擇與4～20 mA 信號和Pt100 相對應的數值，設置數顯儀溫度和壓力上下限報警和量程，在柱塞泵出口新增量程60 MPa 壓力變送器1塊，潤滑油缸安裝溫度變送器Pt100 熱電阻1 塊。將原有出口壓力高報警停機、進口壓力低報警停機、泵油溫高報警、電機繞組溫度高報警和前端軸承溫度高報警等停機功能接入新變頻柜內，恢復原有儀表保護功能，滿足注水泵工況需求。

每只數顯控制儀報警輸出點分兩路，一路接中間繼電器ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4、ZJ5 線圈回路，另一路接報警指示燈；再將ZJ1、ZJ2、ZJ3、ZJ4、ZJ5 中間繼電器的常閉觸點串聯起來接入原變頻控制停止回路SA 按鈕中，其中ZJ1 對應泵進口壓力低報中間繼電器、ZJ2 對應泵出口壓力高報中間繼電器、ZJ3 對應泵油溫高報中間繼電器、ZJ4 對應電機繞組溫度高報中間繼電器、ZJ5 對應電機前端軸承溫度高報中間繼電器，報警聯鎖停機原理如圖4 所示。

圖4 電氣原理報警停止控制

SA 為停止按鈕，KM 為變頻控制主回路交流接觸器，2 只數顯控制儀分度號選擇4～20 mA 和Pt100 熱電阻信號，設置好壓力變送器和溫度變送器對應量程，數顯控制儀內設置報警停機值：出口壓力30 MPa，泵潤滑油油溫75 ℃，保護系統通過現場泵出口采集4～20 mA 信號送入數顯控制儀與內部設定的報警參數比較，當壓力和油溫異常達到上限值時AL 閉合，使中間繼電器帶電和報警燈閃爍報警，同時中間繼電器ZJ 常閉觸點斷開，主回路KM 失電停機，從而對注水泵和管網起到保護作用。

2.5 調試

（1）檢查變頻控制柜和泵房控制柜一次、二次線路有無接地短路，對電氣線路進行絕緣測試。

（2）對變頻柜和泵房控制柜上電合閘，查看變頻器、數顯儀顯示情況。具體步驟如下：①對變頻器運行指令設置外部端子控制，最大頻率為50 Hz，最低頻率15 Hz，加速時間20 s，減速停機時間20 s；②數顯儀檢查溫度和壓力顯示有無報警，進口壓力低限報警0.1 MPa，出口高限報警30 MPa；③中控遠程控制點壓力PI6302 量程設置相對應0～60 MPa，變頻器50 Hz 對應100%；④根據實際壓力值，用多用表2 擋電流測量遠傳壓變4～20 mA 信號，看上傳中控值是否與現場對應一致；⑤泵房開泵后，觀察泵進出口壓力，油溫是否異常；⑥在中控室Honewell EPKS 系統操作站F 站修改操作權限，使操作員能任意給定出口壓力值SP；⑦泵加載后在中控室觀察EPKS 系統PID 調節是否起作用，可根據輸出百分數計算卡件模擬通道輸出4～20 mA 電流數字和相對應的變頻器運行頻率，同時觀察泵實際出口壓力PV 值是否接近設定值SP；⑧測試泵出口壓力高報是否起作用，如泵開啟后未加載的情況下實際壓力為5 MPa，可在數顯儀上設置出口壓力4.9 MPa高限報警停機，觀察是否停機，油溫高限報警測試也一樣。

3 效果分析

通過對軟啟動器改造后，不僅能實現變頻軟啟動注水泵，還能在泵停后減速停車，減少了泵啟動和停車過程中對電網和泵及管網的沖擊，延長了設備的使用壽命，減少了維修費用和人工成本。在中控設定好壓力值26.1 MPa，控制系統通過EPKS、變頻器、電機、注水泵、壓變等形成閉環控制，轉速根據壓力自動調節，最終達到26.1 MPa，中控PIC6302A 控制點PID 調節界面如圖5 所示。

圖5 中控PIC6302A 控制點PID 調節

從實際運行中了解到，根據管網供水需求，反復改變出口壓力設定值，經過一段比較長時間的觀察，315 kW 的變頻注水泵長期運行在42 Hz 左右。

節電分析：

根據實際情況，變頻注水泵長時間在42 Hz 運行，315 kW注水泵一年按運行300 d、電價0.72 元/kW·h 計算。

每年節約電費為（315×24-315×24×42/50）×300×0.72≈26.1（萬元）

4 結束語

通過對9#注水泵的軟啟動控制進行改造，停用軟啟動柜，新裝變頻柜，將壓力變送器、溫度變送器和數顯控制儀等數字保護儀表應用于油田注水泵上，結合中控霍尼韋爾EPKS 系統對壓力變送器和變頻器組態，實現了注水泵變頻啟動、變頻調速恒壓注水；使中控操作人員便于監控注水泵運行情況，根據工藝需求設定出口壓力，同時使泵具有出口高壓報警停機和潤滑油溫度高等報警停機功能，改造后的控制系統節能、安全、可靠，滿足了溫米聯合站注水泵工況的需求，對油田穩產和增產起到積極的作用。